多股流換熱器的柔性特性

   崔國民  杜娟麗 盧洪波 李美玲  張勤
（1.上海理工大學熱工程研究所432信箱，上海200093; 2.東北電力學院動力系，吉林吉林132012）
作者簡介:崔國民（1969--），男，吉林雙遼人，教授，從事能源系統優化和控制、數值傳熱及工業目動化控制研究.
1前言
    任何一臺換熱器都是針對其特定工況設計和制造的，因此，保證設計工況運行的性是其zui基本的要求。但是，任何的工業過程都是一定范圍內的動態過程，*靜止于設計工況的情況是十分罕見的。那么，當實際的工況在設計工況附近發生長期或者短時間的偏離后，換熱器的性能會發生怎樣的變化?流體出口的工藝參數是否會產生的大的偏離?這些都是在實際運行中經常遇到和需要解決的問題。
    另一方面，換熱器的設計是決定其投資和運行費用以及保證生產工藝的zui重要環節之一，好的設計方案直接決定了其投資和運行的經濟性，因此，關于換熱器的優化設計尸直是國內外研究的一個熱點，國外許多大公司都相繼推出了自己的換熱器設計軟件.鑒于此，本文在分析現有換熱器設計方法的基礎上，通過分析換熱器自身的柔性，提出了基于變工況的柔性設計思想，旨在融合換熱器的設計和運行，為換熱器的優化設計提供一種新的思路。
2換熱器的柔性
    當給換熱器提供穩定的工況參數后，換熱器將進入一種運行的平衡狀態一一穩定運行狀態，其各種參數及自身狀態都處于平衡，不再隨時間變化。但是，當有外來作用使其偏離穩態工況后，如果沒有外界的作用，系統將不能恢復到原來的工況的平衡點，換熱器將以偏離工況點和新的出口參數建立一種新的平衡。據此，我們分析當工況發生偏離后換熱器性能和出口參數偏差的變化情況。
    當換熱器到達一個新的平衡狀態，其性能和出口參數都將發生變化。考慮到換熱器針對于設計工況的優化設計，在小范圍內，我們認為其性能處于*，該范圍的大小由優化設計方法決定。那么，這個小范圍內，能近似地認為換熱器性能和出口參數的變化關系具有圖1的形狀，即:當換熱器偏離原設計工況后，其性能將降低、出口參數偏差將增大。
 
    對于不同換熱器來說，出口參數偏差隨著工況變動的變化是不一樣的，如圖1所示.圖l（a）的情形表明，當偏離很大時，換熱器性能和出口參數偏差仍然能夠維持在設計工況附近，可以認為沒有發生變化;而圖1（b）的情形則正好相反，很小的工況偏離就能造成很大的性能和出口參數偏差變化，即（a）的虛線范圍（參數近似不變區間）遠遠大于（b）。根據這一通用特性，我們定義換熱器柔性的概念:
    （l）換熱器在偏離設計工況或其他穩態工況后，能夠維持原有性能參數的能力叫做換熱器的柔性;
    （2）當工況發生偏離后，換熱器的性能能夠基本維持不變的工況區間，稱為柔性區間;
    （a）柔性區間的大小反映了換熱器柔性的大小.
    從這些定義可以看出，所謂的換熱器柔性就是指換熱器的變工況或者偏離設計工況的能力。因此，我們可以應用換熱器柔性的概念來衡量一個換熱器的變工況適應能力，并且作為換熱器設計的一個評價指標。
3換熱器柔性分析
    如前所述，分析換熱器柔性的目的是為了提高換熱器自身適應工況變動的能力，并用其指導換熱器的設計。因此，本文主要從換熱器的結構參數和設計參數等方面研究其柔性特性，即這些參數對柔性大小的影響。
    以換熱器目標流體的出口溫度作為衡量偏離工況的指標，即作為柔性參數，分別討論在不同入口參數偏離條件下的柔性區間大小，由于偏離可以來自于不同的入口參數的單獨作用，也可以來自于多個入口參數的同時作用，這樣就會得到分別作用下和聯合作用下的多變量空間，稱這個空間為換熱器的柔性空間。對表1所示5通道換熱器及其流體參數進行分析。
    根據工藝要求，柔性參考指標取為0.1℃，可以分別獲得換熱器單獨入口參數作用下的柔性區間，如表2所示。從表中可以看出，當其他參數不發生變化時，任何一個入口參數都將存在一個可以上下波動的區間，該參數在這個區間內的任何變化不會對目標流體的出口參數產生大的影響，即不會使目標流體出口參數超出工藝要求范圍，因此該區間即為變化參數單獨作用的柔性區間。另外，對于不同的入口參數，其允許變化的區間有很大的不同，一般來說，輔助流體的柔性區間總是大于目標流體，而溫度的柔性區間總是小于流量。因此為了保證目標流體的工藝條件，對輔助流體的要求可以適當放寬一些，目標流體則要求較高;而對流量的要求低于溫度的要求。
 
    上面是對單一入口參數變化所進行的柔性分析，但是，換熱器的所有參數總是同時在波動的，并且參數之間存在強烈的禍合作用，因此，多參數聯合作用而產生的換熱器柔性區域并不能通過單一參數作用柔性區間的簡單合成得到，而是要充分考慮參數間的相互作用。另外，由不同數目入口參數而產生的柔性區域圖形也是不同的，對于單參數是線區間，雙參數則是面區域，而三參數及以上則得到三維柔性空間或多維柔性空間。為了簡化，認為柔性區間內的換熱器特性是線性的，符合疊加原理，則可作圖2和圖3所示的入口流量和入口溫度柔性平面.


    從圖2和圖3可以看出，在雙參數聯合作用下，柔性區間形成一個狹長的平面帶狀區域，在該區域內，由于流體的相互作用，使得兩參數同時增加或減小的柔性區域縮小，而兩參數出現增加和減小匹配情況時，柔性區間顯著增大，即可以沿著該趨勢一直延伸下去，這主要是流體參數正變化的作用與另一參數負變化相抵消的結果，這就使得內.柔性分布平面上產生二、四象限區域增大，而一、三象限區域減小。然而，實際的工況盡管存在波動，但是，其總是在一定參數范圍內變化的，因此該范圍給出了實際的柔性空間圖形區域。因此，在換熱器運行中，多參數產生的同方向小的變化所造成的出口參數偏差也將大于單參數大的變化，這是運行中更需要注意的問題。總之，多參數共同變化的柔性空間內，換熱器的目標流體溫度將不會偏離工藝要求，因此說在此區間內換熱器具有柔性，工況的偏離可以通過換熱器自身的調節來適應。
4換熱器柔性對其設計的指導
    根據前文分析，當以兩個參數對換熱器進行柔性分析時，不管以換熱量還是目標流體出口溫度，抑或是換熱器的換熱效率等參數作為柔性參考指標，都能得到換熱器的一個柔性運行工作帶，在此帶中的所有工況點都能實現大致相同的換熱效果。那么，如果換熱器所涉及的所有工況點都分布在該帶內部，則在所有工況點中都能達到換熱要求。這樣，就不必擔心工況點變動后換熱性能的惡化問題，因此這是多工況點換熱器柔性設計的基本指導思想。但是，在實際中，由于工況點的分布不同，有時其參數變化很大，即工況點很分散，而任何一臺換熱器的柔性是有限的，我們不能通過針對任何一個工況點的設計來將所有工況點全都包括進入柔性運行帶，因此，這就又給柔性多工況點設計提出了新的問題。
4.1多工況點具有相同權重的虛擬工況點引入
    在實際運行中，有時換熱器運行的多個不同工況點具有同樣的重要性，即具有相同的權重，例如，四季交迭的工況點變遷就屬于這種情況.這時，我們不能忽視任何一個工況點的性能。這里，我們以兩參數變化來研究這種情況的柔性設計問題.根據文的分析，針對任何一個工況點的設計都可以得到一個以該點為中心的柔性工作帶，對于具有相同權重的工況情況，可以用下圖示出以不同工況點進行設計的柔性工作帶分布情況。
    從圖4四季工況及其可能的柔性運行空間分布圖可以看出，當以任何一個工況作為原始設計點時，都不能使其柔性運行空間包括所有的工況點:春季工況點的柔性運行空間只包含夏季，而將秋冬兩季排除在柔性空間以外;夏季的柔性運行空間可以包含春冬兩季，但將秋季排除于柔性空間以外;秋季工況柔性空間只包括冬季，夏季則處于其柔性空間的外邊緣，而秋季則距之很遠;冬季的柔性運行空間也只能包含春季一個工況點。雖然上圖只是一個示意性的，但其卻反映出一個換熱器設計中的本質問題，即以任何一個工況點作為設計基準，都不能*兼顧所有工況，都會造成部分工況換熱性能惡化，否則只能以浪費換熱面積來補償。
    鑒于此，我們提出了一個虛擬運行工況的設計思想，即在眾多的運行工況中間，建立一個假想的工況點，以此工況點作為原始設計依據，使其柔性空間能夠包容所有工況點.又由于該虛擬工況點只有界于所有工況點之中才能實現上述目的，因此，以該點作為設計基準不會造成大的換熱性能偏差.虛擬工況點設計示意圖如圖5所示。

    圖5中，V所代表的工況點為引入的虛擬工況點。從圖中可以看出，虛擬工況點不屬于任何實際的運行工況點，但是，通過比較圖4和圖5，可以看出，即虛擬工況點必須位于部分實際工況或全部實際工況的柔性運行空間之內，這樣才能保證基于虛擬工況點的設計與針對實際工況點的設計具有近似相同的換熱能力，也是選擇虛擬工況點必須遵循的一點;另一方面，也可以看出，通過虛擬工況點的設計，不能實現任何一個實際工況點的*化，但是，卻實現了所有工況點運行性能同處于較優水平，這樣就兼顧了所有實際工況。在這里，設計的主要任務是在所有工況點中間適當位置確定虛擬工況點，然后再對虛擬工況點的柔性空間進行結構優化。
4.2不同權重的主要運行工況設計法
    與上節討論的問題不同，有時，在實際運行過程中，雖然工況點很多，但是，換熱器在多數時間只是運行于部分工況點處，其他工況點雖然也會涉及到，只是短時間和暫時的，例如，實際運行中的負荷變動過程、工藝調節過程以及其他的間歇過程都會出現這種情況。在這種情況下，如果一味地追求兼顧所有工況，那么就很可能造成主要工況性能變差，次要工況盡管性能得以保證，但是換熱器卻很少光顧，因此造成了無端的性能下降（如圖6所示），圖中，實心點是主要工況，空心點為次要工況。從圖中可以看出，盡管兼顧了所有工況點，但是虛擬工況點處于主要工況點一側，使得設計的換熱器性能將很大地偏離主要工況點的*值。
    鑒于此，這里提出了圍繞主要工況點的多點柔性設計方法，即:首先對實際運行過程進行分析，找出主次工況點，使得主次工況點盡量處于同種權重（主次界限可以由實際情況具體分析），然后，采用前面的虛擬工況點設計方法進行設計，針對圖6所示的情況，可以得到圖7所示的設計方案。

    從圖7可以看出，采用圍繞主要運行工況點的設計方法，雖然沒能把所有工況點全部包容入柔性工作區，但卻使虛擬工況點更接近實際的主要運行工況點，因此將很大地提高主要工況點處的運行性能，實現換熱器總體的運行。
    總之，柔性設計的思想就是要求把設計和實際運行結合起來，用運行來指導設計，從而得到具有運行性能的設計方案。
5結論
    本文從運行和調節的角度提出了換熱器柔性的概念，并對柔性空間及其對換熱器設計的指導進行了分析。結果表明:換熱器的柔性直接關系到其實際運行的變工況適應能力，如果在設計換熱器的同時就將柔性考慮進來，那么對于獲得性能穩定、適應性強的換熱器是極其有益的。
    在換熱器設計方面，考慮變工況運行的柔性設計思想，分別對多工況點等權重設計條件和多工況點不等權重設計條件進行了具體分析，并且相應地提出了虛擬工況點設計方法和主要運行工況點決定設計工況的方法。該文的柔性設計思想為換熱器的設計提出了一種新的思路和方法。
參考文獻
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  [s]盧洪波.多股流板翅式換熱器特性及運行研究:[博士論    文l·上海:上海理工大學，2003